IRP : Maxwell 2

Laboratoire franco-brésilien James Clerck

Institut de rattachement : INSIS

Pays de coopération : Brésil

1.   Introduction

Le « IRP Maxwell 2 » est une extension thématique du « LIA Maxwell » (2009-2016). La thématique historique de ce laboratoire est la modélisation/optimisation des composants électromagnétiques basses fréquences. Les 3 équipes de recherche brésiliennes et les 2 françaises formant le IRP ont tissé des liens étroits depuis 30 ans, et ils dépassent aujourd’hui l’approche purement « composant » et ils s’orientent vers la modélisation «fines» de grands systèmes électriques, leur optimisation, leur conception et leur supervision.

2.   Missions et thèmes de recherche

Les 3 axes de recherche à l’origine de la collaboration sont :

• Le développement de modèles numériques pour la simulation des composants électromagnétiques, qui est le noyau de la collaboration. A l’origine, nos groupes travaillaient sur la résolution des équations de Maxwell dans le domaine statique ou quasi-statique (basses fréquences). Un premier élargissement thématique sera de proposer des formulations et des méthodes associées avec comme objectif la prise en compte précise de phénomènes intervenant à des fréquences plus hautes que celles traditionnellement adressées par la communauté du génie électrique (100kHz à 1GHz). A ces fréquences, le fort couplage entre les champs électrique et magnétique (effets résistifs, inductifs et capacitifs) doit être considéré, ce qui rend les résolutions découplées difficiles, voire impossibles.
• La mise en oeuvre de méthodologies de conception et d’optimisation des composants électromagnétiques, des dispositifs et des systèmes lorsque leurs performances sont essentiellement liées à leur comportement électromagnétique, axe qui demeure inchangé ;
• L’élaboration de modèles de matériaux complexes adaptés à ces simulations numériques

À ces trois thèmes principaux viennent s’ajouter 3 autres nouveaux thèmes :

• La modélisation multi-niveaux des systèmes électriques : il s’agira ici de traiter des équations de natures différentes associées à des niveaux de modélisations également différents, dans l’objectif d’atteindre une modélisation « système » de bonne précision en dépassant la vision purement composant.
• Les méthodologies de conception et d’optimisation des systèmes électriques, qui visent à développer des outils et des stratégies d’optimisation avec un grand nombre de paramètres et de contraintes.
• Les stratégies de pilotage optimal des systèmes électriques, qui devra intégrer de nouvelles lois de commande et de supervision, avec la nécessité de prendre en compte l’acteur humain.

D’un point de vue applicatif, les 3 thèmes applicatifs historiques sont :

• Les actionneurs non traditionnels, qui permettent de mettre en oeuvre l’ensemble des compétences des différentes équipes concernées : modèles numériques multi-physiques (électromagnétisme, thermique, mécanique), méthodologies de conception, modèles de matériaux complexes (magnétiques traditionnels, empilements, composites ; ou biologiques).
• La Compatibilité Électromagnétique (CEM), spécialement des systèmes embarqués (transports). La complexification de ces systèmes rend les dysfonctionnements d’origine CEM de plus en plus fréquents : notre objectif est d’intégrer cette préoccupation dès la conception de ces systèmes, au lieu de concevoir dans une seconde étape des moyens réparateurs.
• Le bio-électromagnétisme (effets des champs sur les systèmes vivants) : caractérisation électromagnétique des cellules (par diélectrophorèse et diélectrorotation) et tissus biologiques, calculs d’effets thermiques (des fréquences basses jusqu’aux microondes), effets des champs impulsionnels (électroporation), avec applications médicales (hyperthermie) ou biologiques (transferts de gênes, production d’électricité par des bactéries, bio dépollution de sols par injection de courant électrique).

A ces thèmes se rajoute deux nouveaux axes applicatifs forts :

• Les composants hyperfréquences : Conception de circuits peu consommateurs d’énergie, peu chers, et performants d’un point de vue électrique, pour adresser les domaines des capteurs et des communications sans fil en général (technologies utilisées Silicium CMOS & BiCMOS, membranes de nanofils métalliques). Cet axe sera associé à l’axe S3 concernant les matériaux, afin de développer des modèles matériaux permettant d’inventer de nouveaux circuits microondes accordables, ce qui constitue un fort enjeu actuellement.
• Les réseaux électriques et bâtiments « intelligent », dans lesquels les dispositifs électromagnétiques trouvent une place légitime et naturelle en tant que composants, et qui devront bénéficier d’outils de modélisation / optimisation / conception / supervision dédiés dans les prochaines années.

3.   Les principaux projets

A compléter

4.   Les institutions et laboratoires impliqués

Les institutions signataires de la convention sont :

En France :

• CNRS
• Ecole Centrale de Lyon
• INSA de Lyon
• Université Claude Bernard Lyon 1
• Institut Polytechnique de Grenoble
• Université Joseph Fournier Grenoble 1

Au Brésil :

• Université Federal de Santa Catarina (UFSC)
• Universiade Federal de Minas Gerais (UFMG)
• Université de São Paulo (USP)

Les laboratoires associés sont :

• G2ELab – UMR 5269
• Ampère – UMR 5005
• IMEP – LAHC – UMR 130
• Laboratoire d’Electromagnétisme Appliqué – LMAG (USP)
• Groupe de de Conception et d’Analyse de Dispositifs Electromagnétiques – GRUCAD (UFSC)
• Groupe de Recherche d’Optimisation et de Conception Assistée par Ordinateur – GOPAC (UFMG)
• Groupe de Recherche en Optimisation Stochastique – PPGEE (UFMG)